Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Codziennie, spożywając posiłki, przyswajamy glukozę – cukier zawarty w niektórych pokarmach – przede wszystkim w warzywach i owocach, ale ukryty jest także w ziemniakach, makaronie, kaszy i kukurydzy. No i oczywiście w białym cukrze. Jest jednym z podstawowych źródeł energii, którym każdego dnia napędzamy nasze organizmy do działania. Chociaż jej nadmiar jest niebezpieczny dla zdrowia, to bez glukozy po prostu nie ruszymy z miejsca. Dzięki nauce, to, co daje naszemu organizmowi moc, może w przyszłości stać się paliwem dla medycznych implantów wspierających człowieka.

Inżynierowie pracujący w Massachusetts Institute of Technology (MIT) i w Technische Universität München zaprojektowali zupełnie nowy rodzaj ogniwa paliwowego, którego działanie polega na przekształcaniu glukozy w energię elektryczną. Urządzenie jest mniejsze niż stworzone wcześniej podobne ogniwa. Jego grubość to zaledwie 400 nanometrów, co odpowiada około jednej setnej średnicy ludzkiego włosa. To płaskie urządzenie generuje elektryczność o mocy 43 mikrowatów na jeden centymetr kwadratowy powierzchni, co jest zdecydowanie najlepszym wynikiem, jakie osiągnęły dotąd ogniwa paliwowe tego typu.

Nowy produkt jest bardzo wytrzymały i potrafi przetrwać nawet w temperaturze 600 stopni Celsjusza. To ważne, ponieważ medyczne implanty, z którymi ogniwo ma być łączone, muszą być poddawane sterylizacji w wysokiej temperaturze, jako przedmioty wszczepiane w ludzki organizm. Trzon nowego urządzenia wykonany jest z ceramiki, czyli materiału, który zachowuje swoje właściwości elektrochemiczne nawet w wysokich temperaturach i w miniaturowej skali.

Naukowcy wyobrażają sobie, że tak zaprojektowany materiał można przerobić na ultracienkie folie lub powłoki, które owinięte wokół implantów, będą zapewniały im niezbędną do działania energię elektryczną. Do jej powstania wykorzystane zostaną obfite zasoby glukozy znajdujące się w ludzkim organizmie. To rozwiązanie da początek tworzeniu i wszczepianiu znacznie mniejszych implantów, pozbawionych energii, które w konwencjonalnych urządzeniach zajmują czasem 90 procent objętości. Zamiast nich, implant będzie owinięty ogniwem w postaci cienkiej folii, która do produkcji energii będzie używać zasobu dostępnego wszędzie w organizmie osoby noszącej – czyli właśnie glukozy.

Badania nad nowym materiałem zostały opisane w czasopiśmie „Advanced Materials”.

Jak opowiada jedna ze współautorek publikacji, Jennifer L. M. Rupp z MIT, pomysł na takie rozwiązanie mógłby się nie pojawić, gdyby nie nudne oczekiwanie podczas rutynowych badań lekarskich pod koniec jej ciąży. Podczas oczekiwania na badanie poziomu glukozy i na jego wynik Rupp zaczęła się zastanawiać, jak można powiązać to, co ją nudzi i to, co ją fascynuje: cukier i elektrochemię, która jest obszarem jej zainteresowań. Rozwiązanie, które przyszło jej do głowy szybko skonsultowała ze swoim doktorantem, Philippem Simonsem i razem od razu stworzyli wstępny szkic.

To nie pierwszy raz, kiedy naukowcy próbują wykorzystać glukozę w ten sposób. Podobny pomysł pojawił się już w latach sześćdziesiątych dwudziestego wieku, ale opracowane wtedy rozwiązanie oparte było na niewystarczająco trwałej technologii miękkich polimerów. Nie dość skuteczne i trwałe rozwiązanie szybko zostało przyćmione przez wynalezione wtedy baterie litowo-jonowe, które z czasem stały się standardowym źródłem energii dla implantów medycznych, takich jak rozruszniki serca.

Teraz, wraz z nowym materiałem, odżywa stary pomysł. Przewagą nowego rozwiązania nad poprzednim, ale też nad bateriami, jest jego miniaturyzacja. Bateria, żeby dobrze działać potrzebuje miejsca o określonej pojemności, w której będzie przechowywać energię. Tymczasem tak zaprojektowane ogniwa paliwowe nie będą w ogóle przechowywać energii, ale od razu przetwarzać ją i zasilać właściwe urządzenie. To możliwe ponieważ źródło energii – glukoza – jest zawsze na miejscu.

Konstrukcja glukozowego ogniwa to trzy warstwy. Znajdująca się na górze anoda reaguje z glukozą w płynach ustrojowych, przekształcając cukier w kwas glukonowy. To uwalnia parę protonów i parę elektronów. Środkowa warstwa – elektrolit – oddziela protony od elektronów. Wyizolowane elektrony przepływają do zewnętrznej warstwy – katody – gdzie mogą być wykorzystane do zasilania urządzenia elektronicznego.

Zastosowanie ceramiki rozwiązało trudność, związaną ze stosowanymi wcześniej polimerami, które przekształcały się pod wpływem temperatury. Ceramika to materiał nie tylko odporny na temperaturę, ale też trwały i niezmienny w czasie. W tym konkretnym rozwiązaniu zastosowano cer, o którym wiadomo, że nie tylko jest wytrzymały, ale także biokompatybilny – nie powinien być szkodliwy dla organizmu.

Źródło badań: Philipp Simons et al, A Ceramic‐Electrolyte Glucose Fuel Cell for Implantable Electronics, Advanced Materials (2022). DOI: 10.1002/adma.202109075

Źródło fotografii (licencja CC): https://news.mit.edu/2022/glucose-fuel-cell-electricity-0512

Opracowano na podstawie artykułu Ultrathin fuel cell uses the body's own sugar to generate electricity autorstwa Jennifer Chu, opublikowanego w doniesieniach medialnych Massachusetts Institute of Technology (MIT) - https://news.mit.edu/.